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DE69117989T2 - Obtaining pure nitrogen from air - Google Patents

Obtaining pure nitrogen from air

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DE69117989T2
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Ravi Jain
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Abstract

A process for removing the impurities carbon monoxide, carbon dioxide, water vapour and, optionally, hydrogen from a feed stream, particularly air, comprises (a) initially removing water and carbon dioxide, (b) catalytically oxidising carbon monoxide and hydrogen to form carbon dioxide and water vapour, respectively, and (c) removing the oxidation products. The resulting gaseous stream may then be separated by cryogenic distillation. A pure nitrogen product can thus be produced. The steps (a) to (c) can be performed by passing the feed gas through a bed comprising at least one first layer of adsorbent for performing step (d), at least one second layer of oxidation catalyst for performing step (b), and at least one third layer of adsorbent for performing step (c). Two or more such beds may be sued with at least one bed being used to product the purified gas while at least one other is being regenerated. <IMAGE>

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Trennung von Luft, um Stickstoff zu erzeugen, welcher von Wasserdampf, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid frei ist.The present invention relates to a process for separating air to produce nitrogen which is free from water vapor, carbon dioxide and carbon monoxide.

Hochreine Gase wie Stickstoff, in welchen Unreinheiten in Mengen deutlich unterhalb Niveaus von Teilen pro Million vorliegen, sind bei der Herstellung integrierter Schaltkreise erforderlich, um Defekte in Chips erhöhter Leitungsdichte zu verhindern. Die kryogene Destillation von Luft wird typischerweise für die Erzeugung von in hohem Maße gereinigtem Stickstoffgas verwendet.High purity gases such as nitrogen, in which impurities are present in amounts well below parts per million levels, are required in integrated circuit manufacturing to prevent defects in high density chips. Cryogenic distillation of air is typically used to produce highly purified nitrogen gas.

Die Entfernung von Unreinheiten aus der Speiseluft für kryogene Destillation ist für die Erzeugung von hochreinem Stickstoff erforderlich. Verunreinigungen wie H&sub2;O und CO&sub2; müssen entfernt werden, um auffrieren in den Niedertemperaturabschnitten der Anlage zu verhindern. Zusätzlich müssen andere Verunreinigungen wie H&sub2; und CO typischerweise aus dem Stickstoffprodukt entfernt werden.Removal of impurities from the feed air for cryogenic distillation is necessary for the production of high purity nitrogen. Impurities such as H₂O and CO₂ must be removed to prevent freeze-up in the low temperature sections of the plant. In addition, other impurities such as H₂ and CO must typically be removed from the nitrogen product.

Ein Zweischrittverfahren ist für die Entfernung dieser Verunreinigungen aus Luft in einem Stickstoffpurifizierungsverfahren verwendet worden. In dem ersten Schritt wird komprimierter Stickstoff auf Temperaturen zwischen 150º und 250ºC erwärmt und dann mit einem Katalysator kontaktiert, um CO zu CO&sub2; und H&sub2; zu H&sub2;O zu oxidieren. Edelmetallkatalysatoren, typischerweise basierend auf Platin werden allgemein für den Oxidationsschritt verwendet. In dem zweiten Schritt werden die Oxidationsprodukte, CO&sub2; und H&sub2;O aus dem komprimierten Gasstrom entweder durch ein Temperaturschwungadsorptionsverfahren (siehe K. B. Wilson. A. R. Smith und A. Theobald, IOMA BROADCASTER, Jan-Feb 1984, Seiten 15-20) oder durch einen Druckschwungadsorptionsprozeß (siehe M. Tomonura, S. Nogita, Kagaku Kogaku Ronbunshu, Band 13, Nr. 5, 1987, Seiten 548-553) entfernt.A two-step process has been used for the removal of these contaminants from air in a nitrogen purification process. In the first step, compressed nitrogen is heated to temperatures between 150º and 250ºC and then contacted with a catalyst to oxidize CO to CO₂ and H₂ to H₂O. Noble metal catalysts, typically based on platinum, are commonly used for the oxidation step. In the second step, the oxidation products, CO₂ and H₂O, are removed from the compressed gas stream either by a Temperature swing adsorption process (see KB Wilson, AR Smith and A. Theobald, IOMA BROADCASTER, Jan-Feb 1984, pages 15-20) or by a pressure swing adsorption process (see M. Tomonura, S. Nogita, Kagaku Kogaku Ronbunshu, Vol. 13, No. 5, 1987, pages 548-553).

Diese Verfahren sind, obwohl effektiv, für die Produktion in kommerziellem Maßstab von in hohem Maß purifizerten Gasen, insbesondere Stickstoffgas nachteilig, als eine Folge ihrer hohen Betriebskosten. Die Betriebskosten sind wegen der extensiven Verwendung von Edelmetallkatalysatoren hoch. Zusätzlich müssen separate Gefäße für den katalytischen Behandlungsschritt und den Adsorptionsschritt verwendet werden, um die Unreinheiten zu entfernen. Darüber hinaus sind Wärmetauscher sowohl erforderlich, um das Gas zu erwärmen, wenn es in das Katalysatorgefäß tritt, als auch das Effluens daraus zu kühlen, wodurch zu den Kosten beigetragen wird, sowohl im Ausdruck der Ausrüstung als auch der Energie.These processes, although effective, are disadvantageous for the commercial scale production of highly purified gases, particularly nitrogen gas, as a result of their high operating costs. The operating costs are high due to the extensive use of precious metal catalysts. In addition, separate vessels must be used for the catalytic treatment step and the adsorption step to remove the impurities. In addition, heat exchangers are required both to heat the gas as it enters the catalyst vessel and to cool the effluent therefrom, thus adding to the costs, both in terms of equipment and energy.

Umgebungstemperaturverfahren zur Entfernung von Teilchenpro-Million(ppm-)Niveaus von Unreinheiten aus "Inertgas"- Strömen (z.B. aus Stickstoff oder Argon), sind in der Technik ebenfalls bekannt. So offenbart US-A-4 579 723 das Durchführen eines Inertgasstromes, der Stickstoff oder Argon enthält, durch ein katalytisches Bett, das eine Mischung aus Chrom und Platin auf Gamma-Aluminiumoxid und ein zweites Bett, das aus einer Mischung verschiedener Metalle, die auf Gamma-Aluminiumoxid angebracht sind, zusammengesetzt ist. Die Betten wandeln Kohlenmonoxid auf effektive Weise zu Kohlendioxid und Wasserstoff zu Wasserdampf und Adsorbieren die resultierenden Unreinheiten bzw. Verunreinigungen, um einen Produktstrom zu erzeugen, der Gesamtverunreinigungen von weniger als einem Teil pro Million enthält. Zusätzlich offenbart die US-A-4 713 224 ein Einschrittverfahren zur Purifizierung von Gasen, die kleine Mengen an CO, CO&sub2;, O&sub2;, H&sub2; und H&sub2;O enthalten, in welchen der Gasstrom durch ein teilchenförmiges Material geführt wird, das Nickel mit einem großen Oberflächenbereich umfaßt.Ambient temperature processes for removing part per million (ppm) levels of impurities from "inert gas" streams (e.g., nitrogen or argon) are also known in the art. For example, US-A-4,579,723 discloses passing an inert gas stream containing nitrogen or argon through a catalytic bed comprising a mixture of chromium and platinum supported on gamma alumina and a second bed composed of a mixture of various metals supported on gamma alumina. The beds effectively convert carbon monoxide to carbon dioxide and hydrogen to water vapor and adsorb the resulting impurities to produce a product stream containing total impurities of less than one part per million. In addition, US-A-4,713,224 discloses a one-step process for purifying gases containing small amounts of CO, CO2, O2, H₂ and H₂O in which the gas stream is passed through a particulate material comprising nickel having a high surface area.

Prozesse für die Umgebungstemperaturumwandlung von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid sind auch zum Beispiel beschrieben worden in der US-A-3 672 824 und US-A-3 758 666.Processes for the ambient temperature conversion of carbon monoxide to carbon dioxide have also been described, for example, in US-A-3,672,824 and US-A-3,758,666.

Jedoch sieht keiner dieser Prozesse ein Verfahren vor, in welchem ein gasförmiger Speiseluftstrom, welcher bis zu signifikanten Mengen an Verunreinigungen enthält, durch Entfernung von Wasserdampf, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid purifiziert werden kann, um eine in hohem Maß purifizierte Luft zu erhalten, welche nachfolgend getrennt wird, um hochreinen Stickstoff zu erzeugen.However, none of these processes provide a method in which a gaseous feed air stream containing up to significant amounts of impurities can be purified by removing water vapor, carbon dioxide and carbon monoxide to obtain a highly purified air which is subsequently separated to produce high purity nitrogen.

Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren geschaffen, zum Trennen von Luft, das umfaßt, daßAccording to the invention there is provided a method for separating air, comprising

(i) ein gasförmiger Speiseluftstrom purifiziert wird, indem er im wesentlichen von Wasserdampf, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid-Verunreinigungen befreit wird, durch ein Verfahren, das die Schritte umfaßt, daß:(i) a gaseous feed air stream is purified by substantially removing water vapor, carbon monoxide and carbon dioxide contaminants by a process comprising the steps of:

(a) Wasserdampf aus dem gasförmigen Speiseluftstrom entfernt wird;(a) water vapour is removed from the gaseous feed air stream;

(b) der Speiseluftstrom aus Schritt (a) mit einem oder mehreren Oxidationskatalysatoren kontaktiert wird, um dadurch Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid umzuwandeln; und(b) the feed air stream from step (a) is contacted with one or more oxidation catalysts to thereby convert carbon monoxide to carbon dioxide; and

(c) Kohlendioxid und, falls vorhanden, Wasserdampf aus dem gasförmigen Strom, der aus Schritt (b) erhalten wird, entfernt wird, um die purifizierte Luft zu erhalten; und(c) carbon dioxide and, if present, water vapour are removed from the gaseous stream obtained from step (b) to obtain the purified air; and

(ii) die purifizierte Luft destilliert wird, um Stickstoff zu erzeugen.(ii) the purified air is distilled to produce nitrogen.

Falls gewünscht, kann Wasserstoffverunreinigung zusätzlich durch katalytische Reaktion mit Sauerstoff in Schritt (b) des Verfahrens gemäß der Erfindung entfernt werden.If desired, hydrogen contamination can additionally be removed by catalytic reaction with oxygen in step (b) of the process according to the invention.

Die resultierende gereinigte bzw. purifizierte Luft, die zu destillieren ist, ist im wesentlichen frei von den vorgenannten Verunreinigungen, wobei sie im allgemeinen nicht mehr als ungefähr 1 ppm an Kohlendioxid und eine Gesamtsumme der anderen Verunreinigungen, die ungefähr 1 ppm nicht überschreiten, enthält.The resulting purified air to be distilled is substantially free of the foregoing contaminants, generally containing not more than about 1 ppm of carbon dioxide and a total of the other contaminants not exceeding about 1 ppm.

Die gasförmige Luftspeisung wird vorzugsweise in einer einzigen Behandlungszone behandelt, die vorzugsweise in einem einzelnen Gefäß beinhaltet ist, welches einen ersten Adsorptionsabschnitt, einen Katalyseabschnitt und einen zweiten Adsorptionsabschnitt umfaßt. Der erste Adsorptionsabschnitt enthält ein oder mehrere Betten eines Wasser entfernenden Adsorbens, wie aktiviertes Aluminiumoxid, Silikagel, Zeolith oder Kombinationen davon. Der Katalyseabschnitt enthält vorzugsweise (relativ billige) Katalysatoren für die katalytische Umwandlung von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid und Wasserstoff zu Wasserdampf. Der vorhergehende Katalysator ist vorzugsweise eine Mischung aus Mangan- und Kupferoxiden, während der letztere Katalysator vorzugsweise getragenes Palladium ist. Wenn die Menge an Wasserstoff in der gasförmigen Luftspeisung derart ist, daß seine fortgesetzte Gegenwart für die beabsichtigte Verwendung des purifizierten Produktes nicht abträglich ist, dann kann der Katalysator zum Umwandeln von Wasserstoff zu Wasserdampf weggelassen werden. Auf der anderen Seite wird die Erzeugung von in hohem Maß purifiziertem Stickstoff, der in der Herstellung von Computerchips mit sehr hoher Dichte verwendet wird, die Entfernung von selbst der kleinen Menge an Wasserstoff erfordern, die typischerweise in Luft vorliegt. In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung können derartige Mengen an Wasserstoff entfernt werden, indem Wasserstoff zu Wasserdampf umgewandelt wird, unter Verwendung von getragenem Palladium oder einem anderen geeigneten Oxidationskatalysator in dem Katalyseabschnitt.The gaseous air feed is preferably treated in a single treatment zone, preferably contained in a single vessel comprising a first adsorption section, a catalysis section and a second adsorption section. The first adsorption section contains one or more beds of a water-removing adsorbent such as activated alumina, silica gel, zeolite or combinations thereof. The catalysis section preferably contains (relatively inexpensive) catalysts for the catalytic conversion of carbon monoxide to carbon dioxide and hydrogen to water vapor. The former catalyst is preferably a mixture of manganese and copper oxides, while the latter catalyst is preferably supported palladium. If the amount of hydrogen in the gaseous air feed is such that its continued presence is not detrimental to the intended use of the purified product, then the catalyst for converting hydrogen to water vapor can be omitted. On the other hand, the production of highly purified nitrogen used in the manufacture of very high density computer chips will require the removal of even the small amount of hydrogen typically present in air. In accordance with the present invention, such amounts of hydrogen removed by converting hydrogen to water vapor using supported palladium or other suitable oxidation catalyst in the catalysis section.

Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann entweder chargenweise oder kontinuierlich durchgeführt werden. In jedem Fall muß die Behandlungszone, die die zwei Adsorptionsabschnitte und den Katalyseabschnitt enthält, periodisch regeneriert werden, indem die akkumulierten adsorbierten Verunreinigungen gespült bzw. heraus gereinigt werden. In einem chargenartigen System muß die Reinigung der Luftspeisung während der Regeneration des Behandlungsabschnittes gestoppt werden. In dem kontinuierlichen System werden eine Vielzahl von Behandlungszonen verwendet, wobei zumindest eine Behandlungszone gereinigte Luft erzeugt, während zumindest eine andere Behandlungszone Regeneration unterläuft.The process according to the present invention can be carried out either batchwise or continuously. In either case, the treatment zone containing the two adsorption sections and the catalysis section must be periodically regenerated by purging or cleaning out the accumulated adsorbed contaminants. In a batch system, the purification of the air feed must be stopped during regeneration of the treatment section. In the continuous system, a plurality of treatment zones are used, with at least one treatment zone producing purified air while at least one other treatment zone undergoes regeneration.

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung können die Behandlungszonen durch ein Reinigungsgas nahe Speisetemperaturen oder bei erhöhten Temperaturen in einem Temperaturschwungmodus regeneriert werden. Die resultierende purifizierte Luft weist nicht mehr als ungefähr 1 ppm Kohlendioxid und nicht mehr als 1 ppm an Summe anderer Verunreinigungen auf. Weitere spezielle Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.In accordance with the present invention, the treatment zones can be regenerated by a purge gas near feed temperatures or at elevated temperatures in a temperature swing mode. The resulting purified air contains no more than about 1 ppm carbon dioxide and no more than 1 ppm total of other contaminants. Further specific embodiments of the invention are set out in the dependent claims.

Die vorliegende Erfindung wird nun, beispielsweise mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen, beschrieben werden, in welchen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale andeuten, und in welchen:The present invention will now be described, for example, with reference to the accompanying drawings, in which like reference numerals indicate like features, and in which:

Figur 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Ausführen der Schritte (a) bis (c) gemäß der Erfindung ist, die ein kontinuierliches Verfahren für die Erzeugung von in hohem Maß purifizierter Luft unter Verwendung eines Druckschwungbetriebsmodus zeigt;Figure 1 is a schematic view of an apparatus for carrying out steps (a) to (c) according to the invention, which comprises a continuous shows a method for producing highly purified air using a pressure swing mode of operation;

Figur 2 eine schematische Ansicht einer anderen Vorrichtung zum Ausführen der Schritte (a) bis (c) gemäß der Erfindung ist, in welcher ein Temperaturschwungbetriebsmodus verwendet wird; undFigure 2 is a schematic view of another apparatus for carrying out steps (a) to (c) according to the invention, in which a temperature swing mode of operation is used ; and

Figur 3 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens gemäß der Erfindung einschließlich der Vorrichtung ist, die in Figur 2 gezeigt ist, in Verbindung mit einer Vorrichtung zum Trennen der resultierenden purifizierten Luft in einem kryogenen Destillationssystem.Figure 3 is a schematic view of an apparatus for carrying out the process according to the invention including the apparatus shown in Figure 2 in connection with an apparatus for separating the resulting purified air in a cryogenic distillation system.

Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt typischerweise in hohem Maß purifizierten Stickstoff mit Bezug auf die Verunreinigungen Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasserdampf. Es ist zu verstehen, daß der Ausdruck "Verunreinigungen" bzw. "Unreinheiten", wie hierin verwendet, sich auf diese Gase bezieht und andere Gase wie zum Beispiel Spurenmengen an Kohlenwasserstoffen nicht umfaßt, welche in einer Speiseluftmischung vorliegen können und welche andernfalls als Unreinheiten betrachtet werden können.The process according to the present invention typically produces highly purified nitrogen with respect to the impurities carbon monoxide, carbon dioxide and water vapor. It is to be understood that the term "impurities" as used herein refers to these gases and does not include other gases such as trace amounts of hydrocarbons which may be present in a feed air mixture and which may otherwise be considered impurities.

Es ist weiter zu verstehen, daß die Speiseluftmischung zumindest Kohlenmonoxid enthält. Kohlendioxid und Wasserdampf können in dem anfänglichen Speisestrom ebenfalls vorliegen und können während des Oxidationsschrittes des Verfahrens erzeugt werden.It is further understood that the feed air mixture contains at least carbon monoxide. Carbon dioxide and water vapor may also be present in the initial feed stream and may be generated during the oxidation step of the process.

Bezug nehmend auf die Zeichnungen und insbesondere auf Fig. 1 ist dort eine Vorrichtung zum Betreiben eines kontinuierlichen Verfahrens für die Erzeugung purifizierter Luft gezeigt, in welcher eine Behandlungszone, die Regeneration unterläuft, mit einem Gas bei oder nahe der Temperatur der Luftspeisung gereinigt wird.Referring to the drawings and in particular to Fig. 1 there is shown an apparatus for operating a continuous process for the production of purified air in which a treatment zone undergoing regeneration is purified with a gas at or near the temperature of the air feed.

Ein Speiseluftstrom, wie zum Beispiel atmosphärische Luft, wird über eine Leitung 2 zu einem Kompressor 4 geführt, worin die Luft zu ungefähr 0,62 bis 1,13 MPa (75 bis 150 psig) komprimiert wird. Der komprimierte Luftstrom tritt dann über eine Leitung 6 zu einem Wärmetauscher 8, worin er stromaufwärts seiner Einführung über Leitung 10 zu einem Wasserseparator 12 gekühlt wird, um Flüssigwasser davon zu entfernen. Das Effluens aus dem Wasserseparator 12 befindet sich bei einer Temperatur von ungefähr 5ºC bis 50ºC, vorzugsweise von ungefähr 20ºC bis 45ºC.A feed air stream, such as atmospheric air, is fed via line 2 to a compressor 4, where the air is compressed to about 0.62 to 1.13 MPa (75 to 150 psig). The compressed air stream then passes via line 6 to a heat exchanger 8, where it is cooled upstream of its introduction via line 10 to a water separator 12 to remove liquid water therefrom. The effluent from the water separator 12 is at a temperature of about 5°C to 50°C, preferably about 20°C to 45°C.

Der Luftgasstrom fließt dann über eine Leitung 14, ein Ventil 16 und eine Leitung 20 zu einer Behandlungszone 29 innerhalb eines einzigen Gefäßes 30, welches einen unteren Adsorptionsabschnitt 34, einen Katalyseabschnitt 38 und einen oberen Adsorptionsabschnitt 42 enthält.The air gas stream then flows via a line 14, a valve 16 and a line 20 to a treatment zone 29 within a single vessel 30 which contains a lower adsorption section 34, a catalysis section 38 and an upper adsorption section 42.

Der untere Adsorptionsabschnitt 34 enthält zumindest ein Bett (oder eine Schicht) eines wasserentfernenden Adsorbensmaterials wie aktiviertes Aluminiumoxid, Silikagel, Zeolith oder Kombinationen davon, welches Wasserdampf und etwas des Kohlendioxids entfernt, das in dem komprimierten Luftstrom vorliegt. Das meiste des Wasserdampfes, das in der komprimierten Luft verbleibt, wird in dem unteren Adsorbensabschnitt 34 entfernt, um die Deaktivierung der Oxidationskatalysatoren zu verhindern, die in dem Katalyseabschnitt 38 vorliegen, und die Niedertemperaturverarbeitung der Speisung zu erlauben. Vorzugsweise umfaßt der Adsorptionsabschnitt 34 eine prädominante Schicht aus aktiviertem Aluminiumoxid oder Silikagel und eine Schicht aus Zeolith, zum Beispiel Zeolith 13X oder 5A, die von UOP, Inc. hergestellt sind.The lower adsorption section 34 contains at least one bed (or layer) of a water-removing adsorbent material such as activated alumina, silica gel, zeolite, or combinations thereof, which removes water vapor and some of the carbon dioxide present in the compressed air stream. Most of the water vapor remaining in the compressed air is removed in the lower adsorbent section 34 to prevent deactivation of the oxidation catalysts present in the catalysis section 38 and to permit low temperature processing of the feed. Preferably, the adsorption section 34 comprises a predominant layer of activated alumina or Silica gel and a layer of zeolite, for example zeolite 13X or 5A, manufactured by UOP, Inc.

Der Luftstrom tritt dann in den Katalyseabschnitt 38 innerhalb des Behandlungsgefäßes 30 ein. Die physikalische Trennung der drei Abschnitte des Behandlungsgefäßes 30 wird durch Mittel bewirkt, die in der Technik gut bekannt sind. Zum Beispiel können der Adsorptionsabschnitt 34 und der Katalyseabschnitt 38 durch ein Gitter aus rostfreiem Stahl getrennt sein. Ein ähnliches Gitter kann verwendet werden, um den Katalyseabschnitt 38 von dem oberen Adsorptionsabschnitt 42 zu trennen.The air stream then enters the catalysis section 38 within the treatment vessel 30. The physical separation of the three sections of the treatment vessel 30 is accomplished by means well known in the art. For example, the adsorption section 34 and the catalysis section 38 may be separated by a stainless steel grid. A similar grid may be used to separate the catalysis section 38 from the upper adsorption section 42.

Der Katalyseabschnitt 38 enthält einen Katalysator für die Oxidation von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid und einen Katalysator für die Umwandlung von Wasserstoff zu Wasserdampf. Der Katalysator, der zum Eliminieren von Kohlenmonoxid verwendet wird, ist vorzugsweise ein Metalloxid wie Nickeloxid oder eine Mischung aus Oxiden von Mangan und Kupfer. Der Katalysator, der in der Oxidation von Wasserstoff zu Wasserdampf verwendet wird, ist vorzugsweise getragenes bzw. unterstütztes Palladium oder ein anderer Edelmetallkatalysator, der in der Technik bekannt ist. Vorzugsweise kontaktiert der Luftstrom den Kohlenmonoxidoxidationskatalysator stromaufwärts des Wasserstoffoxidationskatalysators.The catalysis section 38 contains a catalyst for the oxidation of carbon monoxide to carbon dioxide and a catalyst for the conversion of hydrogen to water vapor. The catalyst used to eliminate carbon monoxide is preferably a metal oxide such as nickel oxide or a mixture of oxides of manganese and copper. The catalyst used in the oxidation of hydrogen to water vapor is preferably supported palladium or other noble metal catalyst known in the art. Preferably, the air stream contacts the carbon monoxide oxidation catalyst upstream of the hydrogen oxidation catalyst.

Die so behandelte Luft tritt in den oberen Adsorptionsabschnitt 42 zur Entfernung von Kohlendioxid und Wasserdampf ein. Das Adsorbens, das in dem oberen Adsorptionsabschnitt 42 verwendet werden kann, umfaßt vorzugsweise einen Zeolith, aktiviertes Aluminiumoxid, Silikagel und Kombinationen davon.The air thus treated enters the upper adsorption section 42 for removal of carbon dioxide and water vapor. The adsorbent that can be used in the upper adsorption section 42 preferably comprises a zeolite, activated alumina, silica gel, and combinations thereof.

Die so behandelte purifizierte Luft, die typischerweise nicht mehr als ungefähr 1,0 ppm Kohlendioxid und nicht mehr als ungefähr ein ppm an Summe von anderen Verunreinigungen enthält, wird aus dem Behandlungsgefäß 30 abgezogen und fließt durch eine Leitung 46 und ein Ventil 58 zu einer Leitung 62, wo sie zum Speichern oder für weitere Verarbeitung wie durch kryogene Destillation gesandt wird.The purified air thus treated, which typically contains no more than about 1.0 ppm carbon dioxide and no more than about one ppm in total of other impurities is withdrawn from the treatment vessel 30 and flows through a line 46 and a valve 58 to a line 62 where it is sent for storage or for further processing such as by cryogenic distillation.

Zur gleichen Zeit, zu der die Behandlungszone 29 die Luftspeisung purifiziert, unterläuft eine Behandlungszone 31 Regenerierung, um akkumulierte Verunreinigungen zu entfernen. Das Behandlungsgefäß 32 ist im wesentlichen das gleiche wie Behandlungsgefäß 30 und enthält einen entsprechenden unteren Adsorptionsabschnitt 36, einen Katalyseabschnitt 40 und einen oberen Abschnitt 44. Die Strukturen der drei Abschnitte 36, 40, 44 und die Materialien, die darin enthalten sind, sind dieselben, wie oben für die Abschnitt 34, 38, 42 respektive beschrieben.At the same time that treatment zone 29 is purifying the air feed, treatment zone 31 is undergoing regeneration to remove accumulated contaminants. Treatment vessel 32 is essentially the same as treatment vessel 30 and contains a corresponding lower adsorption section 36, catalysis section 40 and upper section 44. The structures of the three sections 36, 40, 44 and the materials contained therein are the same as described above for sections 34, 38, 42, respectively.

Nach der Purifizierung der Speiseluft für eine Zeitperiode wird jeder der unteren und oberen Adsorptionsabschnitte 36 und 34 mit Kohlendioxid und Wasser kontaminiert, und der Katalyseabschnitt 40 akkumuliert kleine Mengen an Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Diese Verunreinigungen werden entfernt, indem das Gefäß 32 mit einem Gas gereinigt wird, welches den Katalysator nicht nachteilig beeinflußt und von den Verunreinigungen frei ist, die aus dem Gefäß 32 zu entfernen sind. Zum Beispiel kann, wenn das Speisegas Luft ist, ein geeignetes Spülgas in hohem Maß purifizierter Stickstoff, Sauerstoff oder Mischungen davon sein.After purifying the feed air for a period of time, each of the lower and upper adsorption sections 36 and 34 becomes contaminated with carbon dioxide and water, and the catalysis section 40 accumulates small amounts of carbon monoxide and hydrogen. These contaminants are removed by purging the vessel 32 with a gas which does not adversely affect the catalyst and is free of the contaminants to be removed from the vessel 32. For example, if the feed gas is air, a suitable purge gas may be highly purified nitrogen, oxygen, or mixtures thereof.

Vor dem Einführen des Spülgases bzw. Reinigungsgases wird das Gefäß 32 abgelassen, um den Druck darin auf nahe atmosphärischen zu verringern. Dies wird ausgeführt, indem Ventil 26 geöffnet wird, wodurch Gas durch eine Leitung 22 und eine Austrittsleitung 28 abgelassen wird. Weiter auf Fig. 1 Bezug nehmend, wird ein Spülgas, das aus einer unabhängigen Quelle (nicht gezeigt) als ein Seitenstrom aus einer Leitung 62 (die mit der Leitung 46 kommuniziert), oder als ein Abgas aus einer kryogenen Destillationssäule (nicht gezeigt) bei einem Druck von ungefähr 107 - 135 kPa (1 - 5 psig) über eine Leitung 70 an einen optionellen Verdichter 68 bzw. ein optionelles Gebläse 68 gespeist, wo der Druck, falls erforderlich, erhöht werden kann. Das Gas fließt über die Leitung 66 zu einer Leitung 54 und durch ein Ventil 52 in eine Leitung 48, wo das Spülgas in das Gefäß 32 eintritt.Prior to introducing the purge gas, the vessel 32 is vented to reduce the pressure therein to near atmospheric. This is accomplished by opening valve 26, thereby venting gas through a line 22 and an outlet line 28. Continuing to refer to Fig. 1, a purge gas supplied from an independent source (not shown) as a side stream from line 62 (which communicates with line 46), or as an exhaust gas from a cryogenic distillation column (not shown) at a pressure of about 107-135 kPa (1-5 psig) via line 70 to an optional compressor 68 or blower 68, respectively, where the pressure can be increased if necessary. The gas flows via line 66 to line 54 and through valve 52 into line 48 where the purge gas enters vessel 32.

Das Spülgas verläßt das Gefäß 32 durch eine Leitung 22 und fließt durch ein Ventil 26 und wird danach über eine Leitung 28 entladen. Während dieses Betriebs ist das Ventil 24, das mit der Leitung 20 verbunden ist, geschlossen. Nach dem Spülen wird es bevorzugt, den Druck in dem Gefäß 32 graduell mit purifizierter Luft aufzubauen, was in Tabelle 1 als Produktrückfüllen bezeichnet wird. Dieses Wiederunterdrucksetzen kann erreicht werden, indem ein kleiner Teil der purifizierten Luft aus der Leitung 46 durch ein Ventil 56 und in das Gefäß 32 über die Leitung 48 umgelenkt wird.The purge gas leaves the vessel 32 through a line 22 and flows through a valve 26 and is then discharged through a line 28. During this operation, the valve 24, which is connected to the line 20, is closed. After purging, it is preferred to gradually build up the pressure in the vessel 32 with purified air, referred to in Table 1 as product backfill. This repressurization can be accomplished by diverting a small portion of the purified air from the line 46 through a valve 56 and into the vessel 32 via the line 48.

Wenn das Spülen und die Wiederunterdrucksetzung einmal abgeschlossen sind, ist das Gefäß 32 wieder bereit, einen Purifikationszyklus zu beginnen. Dies wird durchgeführt, indem das Ventil 16 geschlossen wird und das Ventil 18 geöffnet wird, so daß der Luftstrom aus der Leitung 14 zu der Leitung 22 und in den unteren Adsorptionsabschnitt 36 des Gefäßes 32 fließt. Die purifizierte Luft, die aus den Gefäßen 32 erhalten wird, tritt durch die Leitung 48 und ein Ventil 60 in die Austrittsleitung 62. Zur gleichen Zeit ist das Schließen des Ventils 16 der Fluß des Luftspeisestromes an das Gefäß 30 abzuschließen. Die Regeneration wird begonnen, indem das Gefäß 30 zuerst abgelassen wird und dann Spülgas über Leitungen 66, 54 und Ventil 50 in die Leitung 46 eingeführt wird.Once purging and repressurization are completed, vessel 32 is again ready to begin a purification cycle. This is accomplished by closing valve 16 and opening valve 18 so that the air stream flows from line 14 to line 22 and into the lower adsorption section 36 of vessel 32. The purified air obtained from vessels 32 passes through line 48 and valve 60 into outlet line 62. At the same time, closing valve 16 will terminate the flow of air feed stream to vessel 30. Regeneration is begun by first draining vessel 30 and then introducing purge gas into line 46 via lines 66, 54 and valve 50.

Die Zeit zum Abschließen eines Zyklus in dem Druckschwungbetriebsmodus beträgt typischerweise von ungefähr 6 bis 40 Minuten. Der Zyklus des Zweigefäßverfahrens, das in Fig. 1 beschrieben ist, ist in Tabelle I gezeigt. TABELLE I Schritt Typische Ventile offen Zeit (sek) a. Purifizier unter Verwendung von Gefäß 30, lasse Gefäß 32 an Atmosphäre ab b. Purifiziere unter Verwendung von Gefäß 30, regeneriere Gefäß 32 mit verunreinigungsfreiem Gas c. Purifiziere unter Verwendung von Gefäß 30, fülle Gefäß 32 mit Gefäß 30-Produkt zurück d. Purifiziere unter Verwendung von Gefäß 32, lasse Gefäß 30 an Atmosphäre ab e. Purifiziere unter Verwendung von Gefäß 32, regeneriere Gefäß 30 mit verunreinigungsfreiem Gas f. Purifiziere unter Verwendung von Gefäß 32, fülle Gefäß 30 mit Gefäß 32 zurück Gesamtzeit: 20 MinutenThe time to complete a cycle in the pressure swing mode of operation is typically from about 6 to 40 minutes. The cycle of the two-vessel process described in Figure 1 is shown in Table I. TABLE I Step Typical Valves Open Time (sec) a. Purify using vessel 30, vent vessel 32 to atmosphere b. Purify using vessel 30, regenerate vessel 32 with contaminant-free gas c. Purify using vessel 30, refill vessel 32 with vessel 30 product d. Purify using vessel 32, vent vessel 30 to atmosphere e. Purify using vessel 32, regenerate vessel 30 with contaminant-free gas f. Purify using vessel 32, refill vessel 30 with vessel 32 Total time: 20 minutes

Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch ausgeführt werden, indem das Spülgas auf Temperaturen deutlich oberhalb der Temperatur des Speisestromes erwärmt wird. In diesem Temperaturschwungbetriebsmodus wird die Temperatur des Speiseluftstromes im allgemeinen unter die Temperatur des Speiseluftstromes gekühlt, der in dem Druckschwungausführungsbeispiel verwendet wird, vorzugsweise in dem Bereich von ungefähr 5º bis 20ºC.The method according to the present invention can also be carried out by heating the purge gas to temperatures well above the temperature of the feed stream. In this temperature swing mode of operation, the temperature of the feed air stream is generally cooled below the temperature of the feed air stream used in the pressure swing embodiment, preferably in the range of about 5° to 20°C.

Bezug nehmend auf Fig. 2, beginnt der Druckschwungbetriebsmodus, indem der Speiseluftstrom in dem Kompressor 4 zu einem Druck von ungefähr 0,62 bis 1,13 MPa (75 bis 150 psig) unter Druck gesetzt wird. Der komprimierte Luftstrom wird dann zu einem Wärmetauscher 8 durch die Leitung 6 geführt und dann zu dem Wasserseparator 12 durch die Leitung 10. Die komprimierte Luft, die den Wasserseparator 12 verläßt, befindet sich vorzugsweise bei einer Temperatur von ungefähr 5º bis 20ºC. Der Betrieb der Reinigungsbehandlungszone 29 und 31 ist der gleiche wie jener, der in Verbindung mit der Vorrichtung beschrieben ist, die in Fig. 1 gezeigt ist.Referring to Fig. 2, the pressure swing mode of operation begins by pressurizing the feed air stream in compressor 4 to a pressure of about 0.62 to 1.13 MPa (75 to 150 psig). The compressed air stream is then passed to a heat exchanger 8 through line 6 and then to the water separator 12 through line 10. The compressed air exiting the water separator 12 is preferably at a temperature of about 5° to 20°C. The operation of the cleaning treatment zones 29 and 31 is the same as that described in connection with the apparatus shown in Fig. 1.

In dem Druckschwungbetriebsmodus, der in Fig. 2 gezeigt ist, werden die Gefäße 30 oder 32 normalerweise langsam unter Verwendung von Speiseluft und dem Produktrückführschritt unter Druck gesetzt, wie mit Bezug auf jenen in dem Druckschwungbetriebsmodus beschrieben. Für die Wiederunterdrucksetzung von Gefäß 30 wird das Ventil 16 offen sein, während Ventil 18 für die Wiederunterdrucksetzung des Gefäßes 32 verwendet wird. Nach der Wiederunterdrucksetzung des Gefäßes 30 findet die Purifizierung der Speiseluft statt und die in hohem Maß purifizierte Produktluft wird über die Leitung 62 für die stromabwärtige Verarbeitung in einem kryogenen Destillationssystem gesandt. Während der Purifikation in dem Gefäß 30 wird das Gefäß 32 zuerst durch das Ventil 24 und die Leitung 28 abgelassen und dann unter Verwendung von verunreinigungsfreiem Spülgas regeneriert, welches zu einem optionellen Gebläse bzw. Verdichter 68 geführt wird und dann zu einem Erwärmer 64 über die Leitung 66.In the pressure swing mode of operation shown in Fig. 2, the vessels 30 or 32 are normally slowly pressurized using feed air and the product recirculation step as described with reference to that in the pressure swing mode of operation. For repressurization of vessel 30, valve 16 will be open, while valve 18 is used for repressurization of vessel 32. After repressurization of vessel 30, purification of the feed air takes place and the highly purified product air is sent via line 62 for downstream processing in a cryogenic distillation system. During purification in vessel 30, vessel 32 is first vented through valve 24 and line 28 and then regenerated using contaminant-free purge gas which is passed to an optional blower 68 and then to a heater 64 via line 66.

Die Temperatur des Spülgases, das in das System durch Leitung 70 eintritt, liegt im allgemeinen jener der Speiseluft nahe. Daher wird das Spülgas in dem Erwärmer 64 erwärmt, vorzugsweise zu einer Temperatur von ungefähr 80º bis 250ºC. Das erwärmte Regenerationsgas tritt durch die Leitung 54, das offene Ventil 52 und die Leitung 48 zum Gefäß 32 und dann zu der Leitung 28 über das offene Ventil 26, um dadurch vorhergehend adsorbierte Verunreinigungen zu entfernen.The temperature of the purge gas entering the system through line 70 is generally close to that of the feed air. Therefore, the purge gas is heated in the heater 64, preferably to a temperature of about 80° to 250°C. The heated regeneration gas passes through line 54, open valve 52 and line 48 to vessel 32 and then to line 28 via open valve 26 to thereby remove previously adsorbed contaminants.

Die Wärme, die an das Gefäß 32 von dem Spülgas geliefert wird, ist hinreichend, um die darin enthaltenen Verunreinigungen zu desorbieren. Demgemäß ist es bevorzugt, den Heizer 64 abzuschalten, nachdem hinreichend Wärme in das Gefäß 32 eingeführt worden ist. Die Menge an Wärme, die für ein gegebenes Gefäß erforderlich ist, kann routinemäßig bestimmt werden. Der Fluß des Spülgases setzt sich fort, nachdem der Erwärmer 64 abgeschaltet worden ist, um desorbierte Verunreinigungen zu entfernen und zu beginnen, das Gefäß 32 in Vorbereitung auf den nächsten Purifikationsschritt zu kühlen. Nachdem das Gefäß 32 hinreichend gekühlt ist, wird es langsam wieder unter Druck gesetzt unter Verwendung eines Teils der Speiseluft, und zwar durch das offene Ventil 18 und die Leitung 22. Das Gefäß 30 fährt fort, die Speiseluft während dieser Zeit zu purifizieren. Nach der Wiederunterdrucksetzung des Gefäßes 32 unterläuft das Gefäß 30 die Schritte des Ablassens, Erwärmen mit Spülgas und Kühlen mit Spülgas wie für das Gefäß 32 beschrieben. Simultan purifiziert das Gefäß 32 Speiseluft. Der Prozeß kann kontinuierlich auf diese Weise laufen.The heat supplied to the vessel 32 from the purge gas is sufficient to desorb the contaminants contained therein. Accordingly, it is preferable to turn off the heater 64 after sufficient heat has been introduced into the vessel 32. The amount of heat required for a given vessel can be routinely determined. The flow of purge gas continues after the heater 64 is turned off to remove desorbed contaminants and begin to cool the vessel 32 in preparation for the next purification step. After the vessel 32 is sufficiently cooled, it is slowly repressurized using a portion of the feed air through the open valve 18 and line 22. The vessel 30 continues to purify the feed air during this time. After repressurization of the vessel 32, the vessel 30 undergoes the steps of draining, heating with purge gas and cooling with purge gas as described for the vessel 32. Simultaneously, the vessel 32 purifies feed air. The process can run continuously in this manner.

Die vollständige Zykluszeit für den Temperaturschwungprozess, der in Fig. 2 beschrieben ist, beträgt normalerweise von ungefähr 8 bis 24 Stunden, viel länger als die Zykluszeiten für den Druckschwungbetriebsmodus. Ein vollständiger Zyklus für ein Zweibettverfahren, das in dem Druckschwungmodus betrieben wird, wird untenstehend in Tabelle 2 gegeben. TABELLE II Schritt Typische Ventile offen Zeit (Stunden) a. Setze Gefäß 30 mit Speisung unter Druck, purifiziere unter Verwendung von Gefäß 32 b. Purifiziere unter Verwendung von Gefäß 30, lasse Gefäß 32 an Atmosphäre ab c. Purifiziere unter Verwendung von Gefäß 30, regeneriere Gefäß 32 mit heißen Spülgas d. Purifiziere unter Verwendung von Gefäß 30, kühle Gefäß 32 mit Spülgas e. Purifiziere unter Verwendung von Gefäß 30, setze Gefäß 32 mit Speisung unter Druck f. Purifiziere unter Verwendung von Gefäß 32, lasse Gefäß 30 an Atmosphäre ab g. Purifiziere unter Verwendung von Gefäß 32, regeneriere Gefäß 30 mit heißem Spülgas h. Purifiziere unter Verwendung von Gefäß 32, kühle Gefäß 30 mit SpülgasThe complete cycle time for the temperature swing process described in Figure 2 is typically from about 8 to 24 hours, much longer than the cycle times for the pressure swing mode of operation. A complete cycle for a two-bed process operated in the pressure swing mode is given in Table 2 below. TABLE II Step Typical Valves Open Time (hours) a. Pressurize vessel 30 with feed, purify using vessel 32 b. Purify using vessel 30, vent vessel 32 to atmosphere c. Purify using vessel 30, regenerate vessel 32 with hot purge gas d. Purify using vessel 30, cool vessel 32 with purge gas e. Purify using from vessel 30, pressurize vessel 32 with feed f. Purify using vessel 32, vent vessel 30 to atmosphere g. Purify using vessel 32, regenerate vessel 30 with hot purge gas h. Purify using vessel 32, cool vessel 30 with purge gas

Wie vorhergehend in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben, sollte das Spülgas von den Verunreinigungen, die aus dem System zu entfernen sind, im wesentlichen frei sein (d.h. im wesentlichen frei von Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserstoff und Wasserdampf) und sollte die Komponenten der drei Abschnitte des Gefäßes nicht nachteilig beeinflussen. Wenn die purifizierte Luft, die die Leitung 62 verläßt, zu einem kryogenen Destillationssystem zur weiteren Verarbeitung gesandt wird, kann das Abgas, das das kryogene System verläßt, vorteilhafterweise als das Spülgas verwendet werden.As previously described in connection with Figure 1, the purge gas should be substantially free of the contaminants to be removed from the system (i.e., substantially free of carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen, and water vapor) and should not adversely affect the components of the three sections of the vessel. If the purified air exiting line 62 is sent to a cryogenic distillation system for further processing, the exhaust gas exiting the cryogenic system can be advantageously used as the purge gas.

Ein System zum Übertragen der purifizierten Luft an ein kryogenes Destillationssystem ist in Fig. 3 gezeigt. Der purifizierte Luftstrom, der bei Leitung 62 austritt, wird in einem Wärmetauscher 76 gegen die zurückkehrenden Produktströme 78 und 86 und den Spülgasstrom 80 gekühlt. Die erwärmten Produktströme 72 und 74 werden als Produkte genommen und an Benutzerausrüstung oder zur Speicherung geschickt. Der warme Spülgasstrom 70 wird verwendet, um die Reinigungsgefäße wie früher erwähnt zu regenerieren. Der kalte purifizierte Luftstrom 82, der den Austauscher 76 verläßt, wird weiter in einem Turboexpandierer 84 gekühlt, um einen Strom 88 zu erzeugen, welcher bei kryogenen Temperaturen in einer Säule 90 destilliert wird, um zwei Produktströme 86 und 78 und einen Abgasstrom 80 zu erzeugen, welcher als das Spülgas verwendet wird. Das kryogene Destillationssystem ist typischerweise von einer herkömmlichen Art, dessen Betrieb und Aufbau in der Gastrenntechnik gut bekannt ist.A system for transferring the purified air to a cryogenic distillation system is shown in Fig. 3. The purified air stream exiting at line 62 is cooled in a heat exchanger 76 against the returning product streams 78 and 86 and the purge gas stream 80. The warmed product streams 72 and 74 are taken as products and sent to user equipment or for storage. The warm purge gas stream 70 is used to regenerate the purification vessels as previously mentioned. The cold purified air stream 82 exiting the exchanger 76 is further cooled in a turboexpander 84 to produce a stream 88 which is distilled at cryogenic temperatures in a column 90 to produce two product streams 86 and 78 and an off-gas stream 80 which is used as the purge gas. The cryogenic distillation system is typically of a conventional type, the operation and construction of which is well known in the gas separation art.

Das Verfahren gemäß der Erfindung wird weiter durch die folgenden Beispiele veranschaulicht.The process according to the invention is further illustrated by the following examples.

BEISPIEL IEXAMPLE I

Ein Einzelgefäßverfahren wurde in einem Druckschwungmodus betrieben. Das Gefäß enthielt eine anfängliche Schicht aus 12,26 kg (27 lbs) eines kommerziell verfügbaren aktivierten Aluminiumoxids, dann eine Schicht aus 0,77 kg (1,7 lbs) aus Hopcalit der Maschenweite 6 x 14 (einer Mischung aus Manganund Kupferoxiden, die von MSA aus Pittsburgh, Pennsylvania hergestellt werden) und einer Schlußschicht aus 5,27 kg (11,6 lbs) des aktivierten Aluminiumoxids enthielt. Wassergesättigte Speiseluft bei einer Temperatur von 25ºC, einem Druck von 1,07 MPa (140 psig), einer Flußrate von 0,65 m³/min (23,0 Standardkubikfuß pro Minute) und mit ungefähr 350 ppm CO&sub2; wurde durch das Gefäß unter Verwendung der Zyklusseguenz, die in Tabelle I gezeigt ist, geführt. Kohlenmonoxid bei einer gesteuerten Flußrate wurde in die Speiseluft gemischt, um eine Speisegasstromkohlenmonoxidkonzentration von 5,5 ppm zu ergeben. Das Gefäß wurde bei der Speisetemperatur (25ºC) unter Verwendung von verunreinigungsfreiem Stickstoff bei einer Durchschnittsflußrate (gemittelt über den gesamten Zyklus von 16,6 m³/min (9,7 Standardkubikfuß pro Sekunde) regeneriert.A single vessel process was operated in a pressure swing mode. The vessel contained an initial layer of 12.26 kg (27 lbs) of a commercially available activated alumina, then a layer of 0.77 kg (1.7 lbs) of 6 x 14 mesh hopcalite (a mixture of manganese and copper oxides manufactured by MSA of Pittsburgh, Pennsylvania) and a final layer of 5.27 kg (11.6 lbs) of the activated alumina. Water saturated feed air at a temperature of 25°C, a pressure of 1.07 MPa (140 psig), a flow rate of 0.65 m3/min (23.0 standard cubic feet per minute) and containing approximately 350 ppm CO2 was passed through the vessel using the cycle sequence shown in Table I. Carbon monoxide at a controlled flow rate was mixed into the feed air to give a feed gas stream carbon monoxide concentration of 5.5 ppm. The vessel was regenerated at the feed temperature (25ºC) using contaminant-free nitrogen at an average flow rate (averaged over the entire cycle) of 16.6 m³/min (9.7 standard cubic feet per second).

Das Gas, das das Gefäß verließ, enthielt weniger als 0,1 ppm H&sub2;0, 1 ppm Kohlendioxid und kein Kohlenmonoxid. Das Kohlenmonoxid in der Speiseluft war zu Kohlendioxid durch die Hopcalit-Schicht konvertiert und das verbleibende Kohlendioxid und die Oxidationserzeuger wurden durch die zweite aktivierte Aluminiumoxidschicht entfernt.The gas leaving the vessel contained less than 0.1 ppm H20, 1 ppm carbon dioxide and no carbon monoxide. The carbon monoxide in the feed air was converted to carbon dioxide by the hopcalite layer and the remaining carbon dioxide and oxidizers were removed by the second activated alumina layer.

BEISPIEL IIEXAMPLE II

Ein einziges Gefäß ähnlich zu jenem in Beispiel I wurde mit einer ersten Schicht von 12,26 kg (27 lbs) kommerziell verfügbaren aktivierten Aluminiumoxids, einer zweiten Schicht aus 0,77 kg (1,7 lbs) aus Hopcalit einer Maschenweite 6 x 14, einer dritten Schicht aus 0,68 kg (1,5 lbs) eines Katalysators, der 0,5 Gew.-% Palladium getragen auf Aluminiumoxid (hergestellt von der Engelhard Corporation) enthält, und einer abschließenden Schicht aus 4,54 kg (10 lbs) aus aktiviertem Aluminiumoxid beladen. Der Prozeß wurde unter den gleichen Bedingungen von Beispiel 1 betrieben, wobei die Speiseluft 5,5 ppm von zugesetztem CO und 2,0 ppm von zugesetztem Wasserstoff zusätzlich zu den Mengen an H&sub2;O und CO&sub2; enthielt, die in Beispiel 1 ausgedrückt sind. Das Gas, das das Gefäß verließ, enthielt kein H&sub2;, kein CO, weniger als 0,1 ppm H&sub2;O und weniger als 1 ppm Kohlendioxid.A single vessel similar to that in Example I was charged with a first layer of 12.26 kg (27 lbs) of commercially available activated alumina, a second layer of 0.77 kg (1.7 lbs) of 6 x 14 mesh hopcalite, a third layer of 0.68 kg (1.5 lbs) of a catalyst containing 0.5 wt.% palladium supported on alumina (manufactured by Engelhard Corporation), and a final layer of 4.54 kg (10 lbs) of activated alumina. The process was operated under the same conditions of Example 1 with the feed air containing 5.5 ppm of added CO and 2.0 ppm of added hydrogen in addition to the amounts of H₂O and CO₂ expressed in Example 1. The gas leaving the vessel contained no H2, no CO, less than 0.1 ppm H2O, and less than 1 ppm carbon dioxide.

BEISPIELE III-VIEXAMPLES III-VI

Das Verfahren der vorliegenden Erfindung wurde in Übereinstimmung mit dem Schema durchgeführt, das in Fig. 2 gezeigt und beschrieben ist, worin das Spülgas zu einer Temperatur erwärmt wurde, die die Temperatur der Speisegasluft überschritt.The process of the present invention was carried out in accordance with the scheme shown and described in Figure 2, wherein the purge gas was heated to a temperature exceeding the temperature of the feed gas air.

Der untere Adsorptionsabschnitt 34 des Gefäßes 30 wurde mit einer Schicht aus 5,23 kg (11,5 lbs) aktivierten Aluminiumoxids, das darauf eine Schicht aus Zeolith 13X in einer Menge von 2,59 kg (5,7 lbs) trug, beladen. Der Katalyseabschnitt 38 wurde mit 0,32 mm (1/8") Carulite-200-Pellets (einer Mischung aus Mangan- und Kupferoxiden, die von Carus Chemical Company of Ottawa, Illinois hergestellt ist) in den Mengen beladen, die in TABELLE IV gezeigt sind. Der obere Adsorptionsabschnitt 42 wurde mit 2,45 kg (5,4 lbs) aus Zeolith 13X versehen.The lower adsorption section 34 of the vessel 30 was coated with a layer of 5.23 kg (11.5 lbs) of activated alumina, having thereon a layer of zeolite 13X in an amount of 2.59 kg (5.7 lbs). The catalysis section 38 was loaded with 0.32 mm (1/8") Carulite 200 pellets (a mixture of manganese and copper oxides manufactured by Carus Chemical Company of Ottawa, Illinois) in the amounts shown in TABLE IV. The upper adsorption section 42 was provided with 2.45 kg (5.4 lbs) of zeolite 13X.

Ein wassersaturierter Luftstrom, der auf 0,65 MPa (80 psig) unter Druck gesetzt war und ungefähr 350 ppm an Kohlendioxid und variierende Mengen an Kohlenmonoxid enthielt, wurde zu dem Gefäß 30 mit der Rate von 0,82 m³/min (28,8 Standardkubikfuß pro Minute) vorwärtsgeschickt. Simultan wurde ein Regenerationsfluß eines Spülgases mit der Rate von 0,14 m³/min (5,1 Standardkubikfuß pro Minute) verwendet, um Verunreinigungen aus dem Gefäß 32 zu entfernen. Bei einer Speisetemperatur von 4,4ºC wurde eine Regenerationsgastemperatur von 121ºC verwendet. Unter Verwendung einer höheren Speisetemperatur von 12,5ºC wurde eine Regenerationsgastemperatur von 148,9ºC verwendet.A water-saturated air stream pressurized to 0.65 MPa (80 psig) and containing approximately 350 ppm of carbon dioxide and varying amounts of carbon monoxide was forwarded to vessel 30 at the rate of 0.82 m³/min (28.8 standard cubic feet per minute). Simultaneously, a regeneration flow of purge gas at the rate of 0.14 m³/min (5.1 standard cubic feet per minute) was used to remove contaminants from vessel 32. At a feed temperature of 4.4ºC, a regeneration gas temperature of 121ºC was used. Using a higher feed temperature of 12.5ºC, a regeneration gas temperature of 148.9ºC was used.

Die Zeit, die notwendig ist, um jeden Schritt der Purifizierungs- und Regenerationszyklen auszuführen, ist in TABELLE III gezeigt. TABELLE III Schritt Zeit (Stunden) Gefäßunterdrucksetzung Speisepurifizierung Gefäßablassen Erwärmung mit verunreinigungsfreiem Stickstoff Kühlen mit verunreinigungsfreiem Stickstoff Gesamt 12,0 StundenThe time required to complete each step of the purification and regeneration cycles is shown in TABLE III. TABLE III Step Time (hours) Vessel pressurization Food purification Vessel draining Heating with contaminant-free nitrogen Cooling with contaminant-free nitrogen Total 12.0 hours

Wie aus TABELLE III gesehen, beträgt die Zeit, die verwendet wird, um einen einzelnen Zyklus der Purifizierung und Regeneration abzuschließen, 12,0 Stunden während des Temperaturschwungadsorptionsmodus, oder näherungsweise zwanzigmal länger als die Zeit, die benötigt wird, um einen einzelnen Zyklus in dem Druckschwungadsorptionsmodus des Betriebs abzuschließen.As seen from TABLE III, the time used to complete a single cycle of purification and regeneration is 12.0 hours during the temperature swing adsorption mode, or approximately twenty times longer than the time required to complete a single cycle in the pressure swing adsorption mode of operation.

TABELLE IV zeigt, daß in jedem der Beispiele III-VI die Umwandlung von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid sehr hoch ist. Dies wird bei sehr niedrigen Speisetemperaturen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zum Teil erreicht, weil im wesentlichen alles des Wasserdampf es entfernt worden ist. TABELLE IV Beispiel Nummer Speisetemperature (ºC) ((ºF)) Speise CO-Konz. (ppm) Menge an Carulite (kg) (lbs) Durchschnittsumwandlung von CO zu CO&sub2; (%)TABLE IV shows that in each of Examples III-VI the conversion of carbon monoxide to carbon dioxide is very high. This is achieved at very low feed temperatures in accordance with the present invention in part because substantially all of the water vapor has been removed. TABLE IV Example Number Feed Temperature (ºC) ((ºF)) Feed CO Conc. (ppm) Amount of Carulite (kg) (lbs) Average Conversion of CO to CO₂ (%)

In allen Beispiel enthielt das Gas, das den unteren Adsorptionsabschnitt verließ, weniger als 0,1 ppm an Wasserdampf, und das Gas, das aus dem oberen Adsorptionsabschnitt zurückgewonnen war, enthielt weniger als 1 ppm Kohlendioxid.In all examples, the gas leaving the lower adsorption section contained less than 0.1 ppm of water vapor, and the gas recovered from the upper adsorption section contained less than 1 ppm of carbon dioxide.

Claims (14)

1. Ein Verfahren zum Trennen von Luft, das umfaßt, daß1. A method for separating air comprising (i) ein gasförmiger Speiseluftstrom purifiziert wird, indem er im wesentlichen von Wasserdampf, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid-Verunreinigungen durch ein Verfahren befreit wird, das die Schritte umfaßt, daß:(i) a gaseous feed air stream is purified by substantially removing water vapor, carbon monoxide and carbon dioxide contaminants by a process comprising the steps of: (a) Wasserdampf aus dem gasförmigen Speiseluftstrom entfernt wird;(a) water vapour is removed from the gaseous feed air stream; (b) der Speisestrom aus Schritt (a) mit einem oder mehreren Oxidationskatalysatoren kontaktiert wird, um dadurch Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid umzuwandeln; und(b) the feed stream from step (a) is contacted with one or more oxidation catalysts to thereby convert carbon monoxide to carbon dioxide; and (c) Kohlendioxid und, falls vorhanden, Wasserdampf aus dem gasförmigen Strom entfernt wird, der aus Schritt (b) erhalten wird, um die purifizierte Luft zu erhalten; und(c) carbon dioxide and, if present, water vapour is removed from the gaseous stream obtained from step (b) to obtain the purified air; and (ii) die purifizierte Luft destilliert wird, um Stickstoff zu erzeugen.(ii) the purified air is distilled to produce nitrogen. 2. Ein Verfahren nach Anspruch 1, worin Schritt (a) umfaßt, daß der gasförmige Speisestrom mit einem Wasserdampf entfernenden Adsorptionsmittel in Berührung gebracht wird.2. A process according to claim 1, wherein step (a) comprises contacting the gaseous feed stream with a water vapor removing adsorbent. 3. Ein Verfahren nach Anspruch 2, worin das Wasserdampf entfernende Adsorptionsmittel ausgewählt wird aus der Gruppe, die aus aktiviertem Aluminiumoxid, Silikagel, Zeolithen und Kombinationen daraus besteht.3. A process according to claim 2, wherein the water vapor removing adsorbent is selected from the group consisting of activated alumina, silica gel, zeolites, and combinations thereof. 4. Ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der Oxidationskatalysator in Schritt (b) eine Mischung aus Mangan- und Kupferoxiden ist.4. A process according to any preceding claim, wherein the oxidation catalyst in step (b) is a mixture of manganese and copper oxides. 5. Ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welchem der gasförmige Speiseluftstrom auch im wesentlichen von Wasserstoff befreit ist, worin in Schritt (b) die Speisung aus Schritt (a) zusätzlich mit einem Oxidationskatalysator in Berührung gebracht wird, um Wasserstoff zu Wasserdampf umzuwandeln.5. A process according to any preceding claim, in which the gaseous feed air stream is also substantially freed of hydrogen, wherein in step (b) the feed from step (a) is additionally contacted with an oxidation catalyst to convert hydrogen to water vapor. 6. Ein Verfahren nach Anspruch 5, worin der Oxidationskatalysator zum Umwandeln von Wasserstoff zu Wasserdampf getragenes Palladium ist.6. A process according to claim 5, wherein the oxidation catalyst for converting hydrogen to water vapor is supported palladium. 7. Ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der Speisestrom zu einem Druck in dem Bereich von 618 bis 1135 kPa (75 bis 150 psig) stromaufwärts von Schritt (a) komprimiert wird.7. A process according to any preceding claim, wherein the feed stream is compressed to a pressure in the range of 618 to 1135 kPa (75 to 150 psig) upstream of step (a). 8. Ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welchem die Schritte (a) bis (c) durchgeführt werden, indem das Speisegas durch ein Bett geführt wird, das zumindest eine erste Schicht des Adsorptionsmittels zum Durchführen von Schritt (a), zumindest eine zweite Schicht des Oxidationskatalysators zum Durchführen von Schritt (b) und zumindest eine dritte Schicht des Adsorptionsmittels zum Durchführen von Schritt (c) umfaßt.8. A process according to any one of the preceding claims, in which steps (a) to (c) are carried out by passing the feed gas through a bed comprising at least a first layer of the adsorbent for carrying out step (a), at least a second layer of the oxidation catalyst for carrying out step (b) and at least a third layer of the adsorbent for carrying out step (c). 9. Ein Verfahren nach Anspruch 8, worin eine Vielzahl der Betten verwendet wird, wobei zumindest eines der Betten verwendet wird, um Verunreinigungen aus dem gasförmigen Speisestrom zu entfernen, und zumindest eines der Betten simultan gespült wird, um Verunreinigungen, die darin enthalten sind, zu entfernen.9. A process according to claim 8, wherein a plurality of said beds are used, at least one of said beds is used to remove contaminants from the gaseous feed stream, and at least one of said beds is simultaneously purged to remove contaminants present therein. contained in it. 10. Ein Verfahren nach Anspruch 8, worin der Schritt des Spülens es umfaßt, daß der Druck in dem Bett verringert wird, und ein Spülgas dort hindurch bei einem Druck unterhalb des Druckes des Speisestromes und bei einer Umgebungstemperatur geführt wird, wobei das Spülgas im wesentlichen von den Verunreinigungen frei ist.10. A process according to claim 8, wherein the step of purging comprises reducing the pressure in the bed and passing a purge gas therethrough at a pressure below the pressure of the feed stream and at an ambient temperature, the purge gas being substantially free of the contaminants. 11. Ein Verfahren nach Anspruch 8, worin der Schritt des Spülens umfaßt, daß der Druck in dem Bett verringert wird und ein geeignetes Spülgas dort hindurch bei einer Temperatur in dem Bereich von ab 80º bis 250ºC geführt wird, wobei das Spülgas im wesentlichen von den Verunreinigungen frei ist.11. A process according to claim 8, wherein the step of purging comprises reducing the pressure in the bed and passing a suitable purge gas therethrough at a temperature in the range of from 80° to 250°C, the purge gas being substantially free of the impurities. 12. Ein Verfahren nach Anspruch 11, das weiter umfaßt, daß eine zusätzliche Menge an Spülgas durch die Behandlungszone geführt wird, um die Temperatur davon zu verringern.12. A method according to claim 11, further comprising passing an additional amount of purge gas through the treatment zone to reduce the temperature thereof. 13. Ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welchem im Schritt (a) Kohlendioxidverunreinigung ebenfalls aus dem Speisestrom durch Adsorption entfernt wird.13. A process according to any preceding claim, in which in step (a) carbon dioxide contamination is also removed from the feed stream by adsorption. 14. Ein Verfahren nach Anspruch 13, in welchem sowohl in Schritten (a) als auch (c) ein erstes Adsorptionsmittel zum Entfernen von Wasserdampf und ein zweites Adsorptionsmittel zum Entfernen von Kohlendioxid verwendet wird.14. A process according to claim 13, wherein in both steps (a) and (c) a first adsorbent is used to remove water vapor and a second adsorbent is used to remove carbon dioxide.
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